WO2002038921A1 - Verfahren zur reinigung eines partikelfilters - Google Patents

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    • F01N3/0233—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles periodically cleaning filter by blowing a gas through the filter in a direction opposite to exhaust flow, e.g. exposing filter to engine air intake
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    • Y10S55/00—Gas separation
    • Y10S55/30—Exhaust treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for cleaning a particle filter in the exhaust system of an internal combustion engine, in particular a self-igniting internal combustion engine, the particle filter having a filter housing into which filter material through which the exhaust gas can flow is inserted, with (soot) particles separated from the exhaust gas on the filter material and ashes adhere and the resulting ashes can be washed out if necessary by means of a liquid which can be conducted through the filter material.
  • Such a method is known from DE 43 13 132 C2.
  • the particle filter in the exhaust system of a diesel engine described in this document is cleaned by first burning off the soot particles deposited in the filter material and then flushing the filter material with a liquid, which is in particular an aqueous solvent with additives.
  • the purging takes place in countercurrent to the exhaust gas flow.
  • the aqueous solution is either continuously conveyed by a pump or taken from a liquid reservoir that is geodetically higher than the particle filter.
  • the cleaning is carried out in such a way that the filter material is first completely flooded by closing the drain for the aqueous solution, then it is waited until the ash has detached from the filter material and finally by opening the drain the aqueous solution together with the dissolved ash the filter material is removed. Finally, the filter material can be dried with compressed air.
  • the invention has for its object to provide a method for cleaning a particle filter from inorganic residues, which is effective and easy to use.
  • the filter material is acted upon alternately with pressure and high flow velocity.
  • the ashes and at least partially the (soot) particles are washed out of the filter material much more effectively, namely faster, more completely and more gently than was previously possible.
  • the method according to the invention how and where the ashes have arisen. Of course, these may have arisen from chemical reactions of substances stored in the filter material, but may also have been formed within the internal combustion engine by reactions from substances contained in the fuel and in the lubricating oil.
  • the filter material is subjected to a two-phase flow of the liquid. The liquid is thus passed through the filter material in its liquid phase and its gaseous phase.
  • the liquid is advantageously heated up to the boiling point anyway, the adjustment of the gaseous and the liquid phase of the liquid does not represent any considerable effort.
  • the adjustment of the gaseous phase can take place, for example, in the form that part of the liquid is removed from the heating of the liquid up to the boiling point and is transferred, for example, in its separate vapor state in a separate container or container part.
  • a gas and the liquid alternately flow through the filter material.
  • water vapor, air or exhaust gas from the internal combustion engine running during the cleaning process is advantageously used as the gas.
  • other gases can also be used here, but the gases specifically mentioned above have proven themselves here because of their availability. Both variants are therefore easy to use and the particle filter in particular, does not need to be removed from the exhaust line.
  • tap water is used as the liquid. If necessary, wash-active and in particular environmentally compatible substances are added to the tap water. This can be done by generating an appropriate mixture in an appropriate storage container or else by metered addition while the tap water is being passed through the filter material.
  • the temperature of the liquid is adjusted to approximately 60 to 100 ° C. during the action on the filter material.
  • the temperature is adjusted in particular as a function of the current temperature in the filter material. If, for example, the temperature in the filter material is higher than 100 ° C. before or at the start of the cleaning process, the liquid is introduced at a low temperature (for example 60 ° C.) to cool the filter material. If the filter material has a temperature of below 100 ° C. at the beginning of the cleaning process, the liquid can be introduced into the filter material in vapor form in order to generate the liquid phase which is favorable for the cleaning process by condensation within the filter material.
  • the fluctuations in pressure and flow velocity are generated by pulsation of the gas and / or by pulsating introduction of the liquid. This can be done, for example, by clocked actuated valves in the feed lines or by pumps or compressors actuated by clocked actuation.
  • the liquid and / or the gas is passed through the filter material in counterflow to the exhaust gas flow. This is the preferred embodiment, but a direction of flow in the same direction is also possible.
  • the backwashed (soot) particles can exit together with the cleaning substances through a cleaning opening upstream of the particle filter.
  • the internal combustion engine is in operation during this cleaning process, the exhaust gases of the internal combustion engine likewise being able to flow out through the cleaning opening upstream of the particle filter.
  • This training is preferably carried out during a workshop cleaning process in the installed state. This training prevents water or ash sludge from getting into the internal combustion engine or up to sensitive sensors in the exhaust system. It is also conceivable to use the exhaust gas in this process as the gaseous substance of the cleaning combination.
  • the washed ash is separated from the liquid and collected in a downstream separator, for example in a liquid separator.
  • the liquid is thus available for at least several wash-out processes, while the ash is removed from the liquid separator and disposed of.
  • cleaning takes place during a visit to the workshop or during normal operation or an interruption of operation of the internal combustion engine on site.
  • the single figure shows a particle filter housing 1, in which the filter material 2 is inserted.
  • the filter housing 1 is designed in the shape of a circular cylinder and has annular end pieces 3a, 3b.
  • An exhaust gas supply line 4a and an exhaust gas discharge line 4b open into these end pieces 3a, 3b.
  • the exhaust gas supply line 4a is connected in a suitable manner to the internal combustion engine, while the exhaust gas discharge line 4b opens into the surroundings.
  • further silencers and / or cleaning devices or exhaust gas bypasses or exhaust gas short-circuit lines can also be used in the exhaust gas supply line 4a and the exhaust gas line 4b.
  • the filter material 2 particles and ashes are filtered out of the exhaust gas during operation of the internal combustion engine. Most of these particles consist of soot and organic residues.
  • Various methods are available for the continuous or discontinuous removal of these substances from particle filters, which are carried out depending on time or operation.
  • the particles deposited in the filter material 2 can at least largely be converted into ashes by combustion or chemical processes.
  • the particles emitted by internal combustion engines also contain inorganic components, mainly oxidation products of organometallic lubricating oil and fuel additives as well as wear products. These substances (ashes) cannot be removed by conventional methods. These ashes are removed by washing out the filter material 2.
  • the filter material is at least flowed through by a liquid which is passed through the filter material 2 alternately at pressure and high flow rate.
  • at least two further connecting pieces 5a, 5b are arranged in the end pieces 3a, 3b, through which the liquid is introduced into the filter housing 1 and discharged again.
  • the liquid is passed through the filter housing 1 in counterflow to the exhaust gas stream or with the exhaust gas stream.
  • a check valve 6 which then closes automatically or manually operated.
  • Further connecting pieces 7a, 7b can also be let into the end pieces 3a, 3b, through which the liquid is passed in a different phase state.
  • the liquid in another phase state is introduced and discharged alternately to the liquid in the first phase state through the connecting pieces 5a, 5b.
  • the liquid is normally water, to which wash-active substances are optionally added, the temperature of the liquid during the action on the filter material 2 being preferably controlled, depending on the filter temperature, from 60 to 100 degrees Celsius.

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Abstract

Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilter(1) mittels einer Flüssigkeit, wobei das Filtermaterial (2) abwechselnd mit Druck und hoher Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt wird. Durch dieses Verfahren werden die Aschen wesentlich effektiver, nämlich schneller, vollständiger und schonender für das Filtermaterial (2) aus diesem ausgewaschen als dies bisher möglich war.

Description

Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei das Partikelfilter ein Filtergehäuse aufweist, in das vom Abgas durchströmbares Filtermate- rial eingesetzt ist, wobei an dem Filtermaterial aus dem Abgas ausgeschiedene (Ruß)-Partikel und Aschen anhaften und wobei die entstandenen Aschen im Bedarfsfall mittels durch das Filtermaterial leitbare Flüssigkeit auswaschbar sind.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 43 13 132 C2 bekannt. Der in diesem Dokument beschriebene Partikelfilter im Abgassystem eines Dieselmotors wird gereinigt, indem zunächst die in dem Filtermaterial abgesetzten Rußpartikel abgebrannt werden und anschließend das Filtermaterial mit einer Flüssigkeit, die insbesondere ein wässriges Lösungsmittel mit Zusätzen ist, gespült wird. Dabei erfolgt die Spülung im Gegenstrom zu dem Abgasstrom. Hierzu wird die wässrige Lösung entweder von einer Pumpe kontinuierlich gefördert oder aus einem gegenüber dem Partikelfilter geodätisch höher liegenden Flüssigkeitsreservoir entnommen. Die Reinigung erfolgt derart, dass zu- nächst das Filtermaterial durch Verschließen des Ablaufs für die wässrige Lösung vollständig geflutet wird, dann gewartet wird, bis sich die Asche aus dem Filtermaterial gelöst hat und schließlich durch Öffnen des Abflusses die wässrige Lösung mitsamt der gelösten Asche aus dem Filtermaterial entfernt wird. Abschließend kann das Filtermaterial mit Druckluft getrocknet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters von anorganischen Reststoffen anzugeben, das effektiv und einfach anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Filtermaterial abwechselnd mit Druck und hoher Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt wird. Durch dieses Verfahren werden die Aschen und auch zumindest teilweise die (Ruß)-Partikel wesentlich effektiver, nämlich schneller, vollständiger und schonender für das Filtermaterial aus diesem aus- gewaschen als dies bisher möglich war. Hierbei ist es für das erfindungsgemäße Verfahren unerheblich, wie und wo die Aschen entstanden sind. Selbstverständlich können diese durch chemische Reaktionen von in dem Filtermaterial eingelagerten Stoffen entstanden sein, aber ebenso innerhalb der Brennkraftmaschine durch Reaktio- nen von im Brennstoff und im Schmieröl enthaltenen Stoffen gebildet worden sein. In einer ersten Variante wird das Filtermaterial mit einer Zweiphasenströmung der Flüssigkeit beaufschlagt. Die Flüssigkeit wird also in ihrer flüssigen Phase und ihrer gasförmigen Phase durch das Filtermaterial geleitet. Da - wie später ausgeführt wird - die Flüssigkeit ohnehin vorteilhaft bis in den Bereich des Siedepunktes erhitzt wird, stellt die Einstellung der gasförmigen und der flüssigen Phase der Flüssigkeit keinen erheblichen Aufwand dar. Die Einstellung der gasförmigen Phase kann beispielsweise in der Form geschehen, dass nach der Erhitzung der Flüssigkeit bis in den Bereich des Siedepunktes ein Teil der Flüssigkeit entnommen wird und beispielsweise in einem separaten Behälter oder Behälterteil in dessen dampfförmigen Zustand überführt wird. In einer zweiten Variante wird das Filtermaterial alternierend von einem Gas und der Flüssigkeit durchströmt. Hierbei wird in weiterer Ausgestaltung vorteilhaft als Gas Wasserdampf, Luft oder Abgas der beim Reinigungsvorgang laufenden Brennkraftmaschine genutzt. Selbstverständlich sind hier auch andere Gase verwendbar, hier haben sich aber die zuvor konkret genannten Gase wegen ihrer Verfügbarkeit bewährt. Beide Varianten sind folglich einfach anwendbar und der Partikelfilter braucht insbesondere nicht aus dem Abgasstrang ausgebaut zu werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird als Flüssigkeit Leitungswasser benutzt. Soweit es erforderlich ist, werden dem Leitungswasser waschaktive und insbesondere umweltverträgliche Substanzen zugegeben. Dies kann durch Erzeugung einer entsprechenden Mischung in einem entsprechenden Vorratsbehälter oder aber auch durch dosierte Zugabe während des Durchleitens des Leitungswassers durch das Filtermaterial erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur der Flüssigkeit während der Einwirkung auf das Filtermaterial auf ca. 60 bis 100°C eingestellt. Hierbei erfolgt die Einstellung der Temperatur insbesondere in Abhängigkeit der aktuellen Temperatur in dem Filtermaterial. Ist beispielsweise die Temperatur in dem Filtermaterial vor bzw. zu Beginn des Reinigungsvorgangs höher als 100°C, so wird die Flüssigkeit mit einer geringen Temperatur (beispielsweise 60°C) zur Kühlung des Filtermaterials eingebracht. Weist das Filtermaterial zu Beginn des Reinigungsvorgangs eine Temperatur von unter 100°C auf, kann die Flüssigkeit dampfförmig in das Filtermaterial eingebracht werden, um durch Kondensation innerhalb des Filtermaterials die für den Reinigungsvorgang günstige flüssige Phase zu erzeugen.
In Weiterbildung der Erfindung werden die Schwankungen von Druck- und Strömungsgeschwindigkeit durch Pulsation des Gases und/oder durch pulsierende Einbringung der Flüssigkeit erzeugt. Dies kann beispielsweise durch getaktet betätigte Ventile in der bzw. den Zuführungsleitungen oder aber durch entsprechend getaktet betätigte Pumpen oder Verdichter erfolgen. In Weiterbildung der Erfindung wird die Flüssigkeit und/oder das Gas in Gegenstrom zu dem Abgasstrom durch das Filtermaterial geleitet. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform, wobei aber auch eine gleich gerichtete Strömungsrichtung möglich ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die rückgespülten (Ruß)-Partikel zusammen mit den Reinigungsstoffen durch eine dem Partikelfilter vorgeschaltete Reinigungsöffnung austreten. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung die Brennkraftmaschine während dieses Rei- nigungsvorgangs in Betrieb, wobei die Abgase der Brennkraftmaschine ebenfalls durch die dem Partikelfilter vorgeschaltete Reinigungsöffnung ausströmen können. Diese Ausbildung wird bevorzugt während eines Werkstatt-Reinigungsverfahrens im eingebauten Zustand durchgeführt. Dabei wird durch diese Ausbildung verhindert, dass Wasser oder Ascheschlamm in die Brennkraftmaschine oder bis zu empfindlichen Sensoren im Abgassystem gerät. Dabei ist es auch denkbar, das Abgas bei diesem Prozess als den gasförmigen Stoff der Reinigungskombination zu verwenden.
In Weiterbildung der Erfindung wird die ausgewaschene Asche in einem nachgeschalteten Abscheider, beispielsweise in einem Flüssigkeitsabscheider aus der Flüssigkeit ausgeschieden und gesammelt. Die Flüssigkeit steht somit zumindest für mehrere Auswaschvorgänge zur Verfügung, während die Asche aus dem Flüssigkeitsabscheider entfernt und entsorgt wird.
Je nach Einsatz der Brennkraftmaschine und der Größe des Partikelfilters bzw. der Reinigungseinrichtung erfolgt die Reinigung im Rahmen eines Werkstattaufenthaltes oder bei normalem Betrieb oder einer Betriebsunterbrechung der Brennkraftmaschine vor Ort.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in Figur dargestelltes Beispiel näher beschrieben ist. Die einzige Figur zeigt ein Partikelfiltergehäuse 1 , in das das Filtermaterial 2 eingesetzt ist. Das Filtergehäuse 1 ist kreiszylinderförmig ausgebildet und weist kreisringförmige Endstücke 3a, 3b auf. In diese Endstücke 3a, 3b münden eine Abgaszufuhrleitung 4a und eine Ab- gasableitung 4b. Die Abgaszufuhrleitung 4a ist in geeigneter Weise mit der Brennkraftmaschine verbunden, während die Abgasableitung 4b in die Umgebung mündet. Selbstverständlich können in die Abgaszufuhrleitung 4a und die Abgasleitung 4b noch weitere Schalldämpfer und/oder Reinigungseinrichtungen oder Abgasumleitungen bzw. Abgaskurzschlussleitungen eingesetzt sein.
In dem Filtermaterial 2 werden während des Betriebs der Brennkraftmaschine (Ruß)-Partikel und Aschen aus dem Abgas ausgefiltert. Diese Partikel bestehen zum größten Teil aus Ruß und organischen Reststoffen. Für die kontinuierliche oder diskontinuierliche Beseitigung dieser Stoffe aus Partikelfiltern stehen verschiedenen Verfahren (sogenannte Regenerationsverfahren) zur Verfügung, die zeit- oder betriebsabhängig durchgeführt werden. Beispielsweise können die in dem Filtermaterial 2 angelagerten Partikel durch Verbrennen oder chemische Verfahren zumindest weitgehend in Aschen umgewandelt werden. Die von Brennkraftmaschinen emittierten Partikel enthalten jedoch auch anorganische Bestandteile, hauptsächlich Oxidations- produkte metallorganischer Schmieröl- und Kraftstoffadditive sowie Verschleißprodukte. Diese Stoffe (Aschen) sind durch konventionelle Verfahren nicht zu beseitigen. Diese Aschen werden durch Auswaschen des Filtermaterials 2 entfernt. Hierzu wird das Filtermaterial zumindest mit einer Flüssigkeit durchströmt, die abwechselnd mit Druck und hoher Strömungsgeschwindigkeit durch das Filtermaterial 2 geleitet wird. Hierzu sind in die Endstücke 3a, 3b zumindest zwei weitere Anschlussstutzen 5a, 5b angeordnet, durch die die Flüssigkeit in das Filtergehäuse 1 eingeleitet und wieder abgeleitet wird. Dabei wird die Flüssigkeit im Gegenstrom zu dem Abgasstrom oder mit dem Abgasstrom durch das Filtergehäuse 1 geleitet. In ersten Fall kann in die Abgaszufuhrleitung 4a eine Rückschlagklappe 6 eingesetzt sein, die dann automatisch oder manuell betätigt schließt. In die Endstücke 3a, 3b können noch weitere Anschlussstutzen 7a, 7b eingelassen sein, durch die die Flüssigkeit in einem anderen Phasen- zustand geleitet wird. Es ist aber auch vorgesehen, die in einem anderen Phasenzustand befindliche Flüssigkeit abwechselnd zu der in dem ersten Phasenzustand befindlichen Flüssigkeit durch die Anschlussstutzen 5a, 5b ein- und abzuleiten. Die Flüssigkeit ist normalerweise Wasser, dem gegebenenfalls waschaktive Substanzen zuge- fügt werden, wobei die Temperatur der Flüssigkeit während der Einwirkung auf das Filtermaterial 2 vorzugsweise gesteuert in Abhängigkeit von der Filtertemperatur bei 60 bis 100 Grad Celsius liegt'.

Claims

Verfahren zur Reinigung eines PartikelfiltersA N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Reinigung eines Partikelfilters im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei das Partikelfilter ein Filtergehäuse aufweist, in das vom Abgas durchströmbares Filtermaterial eingesetzt ist, wobei an dem Filtermaterial aus dem Abgas ausgeschiedene (Ruß)-Partikel und Aschen anhaften und wobei die Aschen im Bedarfsfall mittels durch das Filtermaterial leitbare Flüssigkeit auswaschbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial (2) abwechselnd mit Druck und hoher Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial (2) mit einer Zweiphasenströmung der Flüssigkeit beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial (2) alternierend von einem Gas und der Flüssigkeit durchströmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Wasserdampf, Luft oder das Abgas der beim Reinigungsvorgang laufenden Brennkraftmaschine genutzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Leitungswasser genutzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leitungswasser waschaktive Substanzen beigefügt sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Flüssigkeit während der Einwirkung auf das Filtermaterial (2) bei 60 bis 100°C liegt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwankungen von Druck und Strömungsgeschwindigkeit durch Pulsationen des Gasstroms und/ oder durch pulsierende Einbringung der Flüssigkeit erzeugt werden.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Flüssigkeit insbe- sondere in Abhängigkeit der Temperatur in dem Filtermaterial (2) einstellbar ist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit und/oder das Gas in Gegenstrom zu dem Abgasstrom durch das Filtermaterial (2) geleitet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die rückgespülten (Ruß)-Partikel zu- sammen mit den Reinigungsstoffen durch eine dem Partikelfilter vorgeschaltete Reinigungsöffnung austreten können.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine beim Reinigungsvorgang in Betrieb ist, wobei die Abgase der Brennkraftmaschine ebenfalls durch die dem Partikelfilter vorgeschaltete Reinigungs- Öffnung ausströmen.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgetriebene Asche in einem nachgeschalteten Abscheider aus der Flüssigkeit ausgeschieden und gesammelt wird.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung im Rahmen eines Werkstattaufenthaltes erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung während des normalen Einsatzes der Brennkraftmaschine bei normalem Betrieb oder einer Betriebsunterbrechung erfolgt.
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